Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие техники характеризуется созданием высокопроизводительных машин и скоростных транспортных средств, более точных и чувствительных станков и приборов, форсированных по мощностям, нагрузкам и другим рабочим характеристикам, приводящее к увеличению интенсивности и расширению спектра вибрационных полей. Этому способствует также широкое применение в промышленности и строительстве высокоэффективных вибрационных и виброударных процессов. В этой связи возникает проблема ограничения уровня колебаний строительных конструкций, сооружений и их элементов, машин и приборов. Она связана не только с необходимостью повышения прочности, устойчивости и снижения материалоемкости конструкций, но и с технологическими требованиями, предъявляемыми условиями нормальной эксплуатации, и с защитой людей от вредного действия вибрации. Существуют различные методы и средства борьбы с недопустимыми колебаниями конструкций, среди которых особое место занимают гасители колебаний пассивного типа; их применение является одним из наиболее эффективных и надежных методов, получившим в настоящее время широкое применение в практике строительства, машиностроения и в других областях.
Настоящая работа посвящена исследованию демпфирования колебаний конструкций и их элементов с помощью ударных гасителей. Многообразие конструктивных форм ударных гасителей и необходимость изучения колебаний разнообразных конструкций при различных динамических нагрузках являются источником большого числа задач теории ударного гашения колебаний строительных конструкций, сооружений и их элементов, машин и приборов (далее - защищаемая конструкция, защищаемый объект).
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование возможности применения ударных гасителей колебаний (УГК) для снижения уровня вибрации и повышения темпа затухания переходных процессов колебаний конструкций, моделируемых системами с конечным числом степеней свободы и с распределенными параметрами, при действии однократных импульсов, а также для подавления их установившихся колебаний при действии периодических импульсов. Такие воздействия широко распространены в строительстве и инженерной практике в целом и относятся к важному классу эксплуатационных динамических нагрузок.
Основные задачи исследований. Для достижения указанных целей поставлены следующие задачи диссертационной работы:
анализ состояния проблемы и методов расчета конструкций, оборудованных ударными гасителями колебаний;
найти аналитические решения, описывающие свободные колебания систем с двумя и тремя степенями свободы с непропорциональным демпфированием, вызванные заданными начальными условиями и сопровождающиеся соударениями масс. На основе этих решений исследовать влияние параметров защищаемой конструкции и ударного гасителя на характер переходных процессов свободных колебаний масс системы при действии в начальный момент времени мгновенного импульса и импульса конечной продолжительности;
установить аналитические законы стационарных колебаний двухмассовой и трехмассовой систем с непропорциональным трением при наличии соударений масс, вызванных периодическими нагрузками в виде односторонних мгновенных импульсов и импульсов конечной продолжительности. С помощью полученных законов движения при нестабильной частоте воздействия выполнить анализ импульсно-частотных характеристик колебаний масс системы и решить задачу выбора параметров ударного гасителя;
рассмотреть задачу локальной виброзащиты с помощью ударного гасителя гибких элементов, опирающихся на массивную поддерживающую конструкцию. Изучить переходные режимы свободных колебаний системы при действии на поддерживающую конструкцию одиночного мгновенного импульса и дать оценку эффективности ударного гасителя при периодическом импульсивном воздействии на поддерживающую конструкцию;
разработать методику расчета колебаний стержней с присоединенным осциллятором, рассматриваемых как система с непропорциональным трением, при действии однократных и периодических импульсов. На ее основе выполнить анализ переходных режимов свободных колебаний консольного стержня с ударным гасителем при заданных начальных условиях и определить оптимальные параметры УГК с трением и дать оценку его эффективности при действии периодических импульсивных нагрузок.
Научную новизну диссертации составляют следующие результаты:
исследованы переходные процессы свободных колебаний одномассовой защищаемой конструкции с ударным гасителем при заданных начальных условиях, в частности при действии в начальный момент времени однократного мгновенного импульса и импульса конечной длительности;
на примере одномассовой модели защищаемой конструкции найдены оптимальные параметры и дана оценка эффективности УГК при действии периодических импульсов конечной продолжительности с нестабильной частотой;
исследованы переходные режимы свободных колебаний трехмассовой системы с последовательным соединением звеньев, состоящей из массивной поддерживающей конструкции, защищаемого объекта и ударного гасителя, вызванных действием однократного мгновенного импульса, приложенного к поддерживающей конструкции. Найдены оптимальные параметры ударного гасителя и дана оценка его эффективности при действии периодических мгновенных импульсов с нестабильной частотой;
разработана методика определения свободных и установившихся колебаний демпфированного стержня с ударным гасителем при заданных начальных условиях и действии периодических импульсов. Рассмотрены переходные процессы свободных затухающих колебаний стержня, вызванные действием одиночного импульса, и найдены оптимальные параметры УГК при периодическом импульсивном воздействии с нестабильной частотой.
Достоверность и обоснованность результатов работы определяется корректностью постановки задач, использованием апробированных методов теории колебаний, динамики сооружений и теории виброзащитных систем и подтверждается сравнением полученных результатов с известными решениями.
Практическое значение настоящего исследования заключается в получении: данных о поведении защищаемой конструкции, оборудованной ударными гасителями, при переходных процессах свободных колебаний, вызванных действием однократных импульсов, и при стационарных режимах движения, определяемых действием периодических импульсов; данных об эффективности и оптимальных параметрах ударных гасителей колебаний, которые могут быть использованы для предварительного назначения параметров УГК при виброзащите реальных конструкций и их элементов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV международной научно-практической конференции «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» (Москва, 2011 г.); на IX Всероссийской научно-практической и учебно-методической конференции «Фундаментальные науки в современном строительстве» (Москва, 2012 г.); на IV международном научном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (Челябинск, 2012 г.); на XXI словацко-российско- польском семинаре «Теоретические основы строительства» (Москва- Архангельск, 2012 г.). Работа в целом рассматривалась на кафедре строительной механики ФГБОУ ВПО "МГСУ" (Москва, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 в научных журналах, входящих в список ВАК для публикации результатов по кандидатским диссертациям.
На защиту выносятся:
методика расчета и численные результаты исследования переходных процессов колебаний двухмассовой системы защищаемой конструкции с ударным гасителем с трением при заданных начальных условиях движения, в частности при действии мгновенных импульсов и импульсов конечной продолжительности;
методика определения установившихся колебаний двухмассовой системы защищаемой конструкции с УГК с демпфированием при действии периодических импульсов конечной продолжительности; результаты выбора оптимальных параметров ударных гасителей и оценки их эффективности при возмущающей нагрузке с нестабильной частотой;
методика расчета и результаты численного анализа поведения трехмассовой системы с последовательным соединением звеньев массивной поддерживающей конструкции, гибкого защищаемого объекта и ударного гасителя при переходных режимах колебаний, вызванных действием однократного мгновенного импульса, приложенного к поддерживающей конструкции;
методика расчета и численные данные исследования установившихся колебаний защищаемого объекта с УГК, опирающихся на массивную поддерживающую конструкцию, при действии на нее периодических мгновенных импульсов с нестабильной частотой их приложения;
методика определения свободных и установившихся колебаний стержня с присоединенным ударным гасителем с трением, вызванных заданными начальными условиями и действием периодических мгновенных импульсов; результаты анализа переходных процессов свободных колебаний стержня при действии однократного мгновенного импульса, а также данные об оптимальных параметрах ударного гасителя и его эффективности при периодическом импульсивном воздействии с нестабильной частотой.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 181 наименований; написана на 156 листах, имеет 44 рисунка и 8 таблиц.
